单轴压缩下砂岩微破裂演化力学行为研究

李炜强^1,2，许沁舒²，成功^1,3，李冬伟^1,3

1. 核工业北京地质研究院地下实验室项目部2. 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院3. 中核集团高放废物地质处置评价技术重点实验室

摘 要：为分析岩石变形各阶段微裂纹孕育力学行为,探究了微观破裂发展和宏观破坏之间的演化关系,利用高速摄像仪和2套PCI-Ⅱ声发射监测系统对砂岩岩样进行单轴压缩条件下监测试验,结合声发射信息与岩石微破裂的响应关系,对比分析了岩石变形各阶段声发射演化特征以及微破裂强度与破裂尺度时空演化特征,并运用矩张量反演手段获取了岩石微破裂源的产生类型和运动方向,分析裂纹发展趋向,得到了岩石破坏失稳前兆信息,揭示了微裂纹孕育演化成宏观破坏过程中的力学行为。结果表明:声发射参数演化特征与岩石各变形阶段有着较好的对应关系,且在声发射频域上存在3条主频带,分别为低频带（90～130 kHz）、中高频带（250～280 kHz）、高频带（280～330 kHz）。声发射波形持续时间与微裂纹的尺度存在正相关性,达到屈服强度前,持续时间绝大多数处于500μs以下;屈服强度后,微破裂加剧,微破裂强度和尺度变得更为丰富,频域上出现明显中频带（130～250kHz）,大量声发射波形持续时间处于1 000μs以上水平的活动出现,而且裂纹的产生和演化由无序状态转化为有序发展状态,微破裂运动方向逐渐偏向轴向应力方向,剪切破裂源开始主导损伤,微破裂集结成核,随后出现宏观主裂纹。将中频带声发射活跃,高强度大尺度微破裂集中出现,微破裂有序化发展3种特征现象作为评价岩石破坏失稳的前兆信息。

关键词：声发射;岩石破坏;微破裂机制;裂纹扩展;失稳前兆;